李 进, 王金凤, 徐 萌, 张小英, 张玉贞

(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室,山东东营257061; 2.中海油气开发利用公司,北京100010)

再生剂对再生沥青感温性的影响

李 进1, 王金凤2, 徐 萌1, 张小英1, 张玉贞1

(1.中国石油大学(华东)重质油国家重点实验室,山东东营257061; 2.中海油气开发利用公司,北京100010)

通过3种再生剂对老化沥青进行再生实验,用针入度指数和粘温指数对再生沥青感温性进行评价并讨论再生剂的影响规律。实验结果表明,再生沥青在低温和中高温区的感温性均好于原料沥青,其中再生剂C再生的再生沥青感温性较好;3种再生剂对再生沥青中温区的感温性影响无明显规律,再生剂增加了老化沥青的感温性;再生剂A对再生沥青的高温区感温性有所降低,而再生剂B和C则略有增加。结合再生剂组分分析数据得出饱和分能降低沥青的高温区感温性,而芳香分则增加沥青的高温区感温性。

再生剂; 感温性; 再生沥青; 针入度指数; 粘温指数

沥青材料的感温性是其重要的流变性之一,沥青路面的一些重要性质指标与沥青感温性密切相关,如高温抗车辙、低温抗开裂和耐久性等[1-3]。感温性就是沥青的粘度或稠度随温度变化而变化的程度,不同类型的沥青对温度的敏感性不同。目前,沥青感温性评价指标普遍采用的有针入度指数(PenetrationIndex,PI)、针入度 -粘度数(Pen-VisNumber,PVN)、粘 温 指 数 (Viscosity Temperature Susceptibility,VTS)和等级指数等[4-7]。沥青随老化程度的加深,针入度指数增加,沥青感温性有所降低,但减弱了沥青的耐低温能力[8-9]。

路面废旧沥青混合料的回收利用,不仅可以节约资源、降低筑路成本,而且能有效地减少固体废弃物排放,保护环境。老化沥青感温性的恢复可以通过加入再生剂实现。不同再生剂对再生沥青的感温性影响的研究报道较少,本文通过研究不同再生剂对再生沥青的感温性作用规律,以便为选择合适的再生剂提供指导。

1 沥青感温性表征

荷兰学者Pfeiffer JP等[4]于1936年提出沥青针入度指数的概念。在针入度试验中,贯入时间和载荷一定时,将不同温度下测定的沥青针入度的对数值作图,则沥青针入度对数值与温度一般呈线性关系,关系式如下:

式中:P—实测针入度值,0.1 mm;

T—测定时的温度,℃;

A—直线斜率;

K—直线截距。

直线的斜率 A可表征沥青针入度的对数值随温度的变化,将其代入PI计算公式(2)。

PI值越低,沥青材料感温性质越差。若 PI值低于-2时表示沥青具有高度的感温性。

大量试验结果表明,大部分沥青可以假定在软化点时的针入度为800(0.1 mm),大部分沥青在弗拉斯(Fraass)脆点时的针入度约为1.2(0.1 mm),故分别采用25℃针入度与 TR&B和 TFraass时的针入度计算出针入度的对数值随温度的变化系数A[10]。计算公式分别见式(3)和(4)。

式中:P25—在25℃和100 g载荷下贯入时间为5 s的沥青针入度值,0.1 mm;

TR&B—环球法测定的软化点,℃。

式中:TFraass—弗拉斯(Fraass)脆点,℃。

用公式(3)和(4)计算出针入度温度系数 A,将A代入公式(2)计算出相应的PI值并分别评价沥青的高温区和低温区感温性,并对沥青的PI值提出最小值的要求[11-12]。

由于沥青软化点一般在50℃左右,用25℃和TR&B两个温度点的针入度表征沥青60℃以上的高温区感温性是不太合理的。对于大部分沥青而言,在60℃时已经为牛顿流体,粘度值不随剪切速率的变化而变化[13],所以使用Brookfield旋转粘度计测试沥青在高温区的粘度,并采用ASTM 2493推荐使用的Walther与Saal的简化式回归得到粘温曲线斜率,用以表征沥青在高温区的感温性。计算公式见(5)。

式中:η—粘度,Pa·s;

T—温度,K。

粘温曲线斜率表示粘度双对数随温度对数变化的斜率,用VTS表示。粘温指数越小表示沥青材料感温性越小;反之,粘温指数越大,温度敏感性越大。本文用PI表征沥青低温区(<0℃)、中温区(0～30℃)和中高温区(30～60℃)感温性;用VTS表征沥青高温区(>60℃)感温性。

2 实验部分

2.1 实验原料

原料沥青选用X、Y和Z,3种沥青和再生剂分A、B和C的性质分析数据见表1。

表1 3种沥青和再生剂的性质数据Table 1 Properties of three asphalts and three rejuvenators

表1中沥青X和Y为同一原油生产,只是针入度等级不同;沥青X和Z为不同原油生产,但针入度等级相同。再生剂A的比重、粘度和闪点较低,饱和分含量较高。再生剂C和B的芳香分含量都较高,而再生剂C不含沥青质,再生剂B的沥青质高于其它两种再生剂。

2.2 再生沥青样品制备

老化沥青分别加入再生剂A、B、C和作为软化剂的沥青 Y进行再生。再生沥青中老化沥青、再生剂和沥青 Y的添加量是以原料沥青60℃粘度值(±40 Pa·s)为目标粘度,根据美国材料协会ASTM D4887推荐的公式计算和实测粘度对配比关系进行调整[14],计算公式见公式(6)和(7)。

式中:xas—老化沥青质量分数;

xra—再生剂的质量分数;

ηm—再生沥青的粘度值,mPa·s;

ηas—老化沥青的粘度值,mPa·s;

ηra—再生剂的粘度值,mPa·s。

2.3 实验仪器

P877旋转薄膜烘箱(美国Normalab Analis公司),满足 ASTM D2872规范。Model 9300 PAV System压力老化仪(美国Alloy Fabricators公司)。

3 结果与讨论

3.1 针入度指数分析

用公式(1)对沥青针入度数据进行处理,并用公式(2)计算 PI值。原料沥青和老化沥青在15、25、30℃时的针入度和PI值数据见表2。再生沥青在这3个温度下的针入度和PI值数据见表3。

由表2可知,老化沥青在15、25、30℃时的针入度与原料沥青相比大幅降低,且温度越高针入度变化数值越大。从针入度指数的计算结果看出,老化沥青与对应的原料沥青相比,针入度指数都是增大的。因此,老化沥青在中温时的感温性优于原料沥青。

从表3看出,将25℃时再生沥青与老化沥青针入度进行对比,可以看出再生沥青的针入度得到不同程度的恢复。3种再生剂对再生沥青的针入度指数的影响无明显规律。再生沥青的针入度指数与原料沥青相比基本恢复,除Z(B)外均略高于原料沥青,所以大多数的再生沥青在中温区的感温性要好于原料沥青。

表2 原料沥青和老化沥青的针入度和PI值Table 2 Penetration and PI values of asphalt materials and aged asphalts

表3 再生沥青的针入度和PI值Table 3 Penetration and PI values of recycled asphalts

沥青低温区和中高温区感温性也用针入度指数来表征。通过公式(4)和(2)计算出沥青低温区 PI值。沥青中高温区PI值通过公式(2)和(3)计算,样品25℃针入度、弗拉斯脆点、软化点和低温与中高温区PI值见表4。

由表4可见,老化沥青中高温和低温区PI值均高于原料沥青,所以老化沥青的感温性能好于原料沥青。老化沥青的弗拉斯脆点均比原料沥青的高,其中老化沥青Z′上升幅度最大,其升幅为6.2℃。因此,老化沥青在低温时的抗裂性和耐久性变差。老化沥青软化点都高于原料沥青,所以其高温稳定性好于原料沥青。再生沥青与原料沥青相比,弗拉斯脆点和软化点都有不同程度的恢复;再生沥青在中高温和低温区PI值均有不同程度的恢复,低温区PI值除再生沥青 Y(A)和Z(A)外,其余再生沥青PI值均大于-1.0;中高温区PI值除再生沥青Z(A)和X(B)外,其余再生沥青PI值大于-1.0。在中高温和低温区,用再生剂C再生的沥青 PI值均大于-1.0,所以用再生剂C再生的再生沥青感温性较好。

表4 样品低温与中高温区PI值Table 4 Samples’PI of lowand middle-high temperature zones

3.2 粘温性质分析

在90、100、110、120℃4个温度下对沥青、老化沥青和再生沥青进行粘度测定。粘度数据按公式(5)进行计算,沥青和老化沥青粘温曲线见图1,再生沥青的粘温曲线分别见图2-4。

Fig.1 Viscosity and temperature graph of three asphalts and aged asphalts图1 3种沥青与老化沥青的粘温关系

由图1可知,沥青X、Y和Z的粘温曲线斜率值分别为3.526 4、3.534 1和3.535 9,相应的老化沥青粘温曲线斜率值为3.544 3、3.569 2和3.527 3。老化沥青较小,所以老化沥青在高温区感温性基本与原料沥青相当。

Fig.2 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator A图2 再生剂A再生的再生沥青的粘温关系

Fig.3 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator B图3 再生剂B再生的再生沥青的粘温关系

Fig.4 Viscosity and temperature graph of recycled asphalts with rejuvenator C图4 再生剂C再生的再生沥青的粘温关系

从图2-4可以看出,由再生剂A再生的沥青粘温曲线斜率值均小于原料沥青,而由再生剂B和C再生的沥青粘温曲线斜率值略大于原料沥青。因此,再生剂A对再生沥青的高温区感温性有所降低,而再生剂B和C对再生沥青高温区感温性略有增加。根据表1中3种再生剂的组分分析数据得出:饱和分能降低沥青高温区感温性,而芳香分则是增加的。

[1]沈金安.沥青材料流变学(一)[J].石油沥青,1988,2(4):27-38.

[2]陈晓瑛,尹利华,延西利.沥青材料感温性与其混合料高温稳定性关系研究[J].公路交通科技,2008,25(1):38-42.

[3]王立志,魏建明,张玉贞.道路沥青温度敏感性指标的分析与讨论[J].科学技术与工程,2008,8(21):5793-5798.

[4]Pfeiffer JP,Van Doormaal P M.The rheological properties of asphaltic bitumen[J].Journal of the institute of petroleum,1936,22:414-440.

[5]McLeod N W.A 4-year survey of low temperature transverse pavement cracking on the three Ontario roads[J].Association of asphalt paving technologists,1972,41:424-493.

[6]Puzinauskas V P.Properties of asphalt cements[J].Association of asphalt paving technologists,1979,48:646-710.

[7]沈金安.沥青与沥青混合料的路用性能[M].北京:人民交通出版社,2001:1-20.

[8]朱静,周安娜.沥青老化过程中温度敏感性的研究[J].燃料与化工,2002,33(1):30-32.

[9]董瑞琨,孙立军.考虑老化的沥青结合料低温感温性指标[J].中国公路学报,2006,19(4):34-39.

[10]丛玉凤,廖克俭,翟玉春.辽曙道路沥青感温性的评价[J].辽宁石油化工大学学报,2004,24(4):15-18.

[11]谭忆秋,姜丽伟,褚浩然,等.三个温度针入度评价沥青材料感温性的敏感性分析[J].东北公路,2001,24(4):42-43.

[12]沈金安,李福普.评价沥青质量的核心指标—沥青感温性[J].石油沥青,1997,11(2):12-22.

[13]刘淑琼,范耀华,张玉贞.我国几种道路沥青流变特性的初步研究[J].石油炼制与化工,1986(10):63-68.

[14]李进,徐萌,张小英,等.老化沥青与再生剂混合相行为[J].辽宁石油化工大学学报,2009,29(4):19-23.

(Ed.:SGL,Z)

Influence of Rejuvenators on Recycled Asphalts in Temperature Susceptibility

LI Jin1,WANG Jin-feng2,XU Meng1,ZHANG Xiao-ying1,ZHANG Yu-zhen1
(1.State Key Laboratory ofHeavy Oil Processing,China University ofPetroleum(East China),Dongying Shandong257061,P.R.China;2.Heavy Oil Utilization Research Center China Of f shore Oil&Gas Development&Utilization Co.,Beijing100010,P.R.China)

6November2009;received7December2009;accepted22December2009

Three kinds of simulation aged asphalt were recycled by three different rejuvenators.Penetration index and viscosity temperature susceptibility were used to evaluate temperature susceptibility of recycled asphalts.All of the three rejuvenators recover the aged asphalts in temperature susceptibility at low and mid-high temperature.The effect of rejuvenator C is better than others.No obvious laws are found at middle temperature,the rejuvenators increase the aged asphalts temperature susceptibilities.Rejuvenator A decreases the temperature susceptibility at high temperature,however B and C increase a little.With the components analysis of rejuvenators it can be concluded that saturates decrease the temperature susceptibility of high temperature,while the aromatics can increase it at high temperature.

Rejuvenator;Temperature susceptibility;Recycled asphalt;Penetration index;Viscosity-temperature index

.Tel.:+86-546-8395271;fax:+86-546-8395269;e-mail:lijin123420888@sina.com

TE626

A

10.3696/j.issn.1006-396X.2010.01.009

2009-11-06

李进(1974-),男,四川眉山市,在读博士。

中国海洋石油总公司资助项目(2008ZY-JSFW -SYDX-040)。

1006-396X(2010)01-0034-05